Моделирование процессов заряжения и люминесценции при облучении электронами наноструктурных оксидов кремния и алюминия

• Автор: Штанг, Татьяна Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 140 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава Е ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И КВАНТОВ ВУФ ДИАПАЗОНА

С ШИРОКОЗОННЫМИ ОКСИДАМИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Основные физические процессы

1.1.1. Механизмы возникновения токов при электронной бомбардировке диэлектрика..

1.1.2. Транспорт электронов в диэлектрике в условиях эпектрон-фононпых

взаимодействий

1.1.3. Заряжение поверхности и приповерхностных слоев

1.1.4. Катодолюминесцепция

1.1.5. Фотолюминесценция
1.1.6. Люминесцентные свойства наноструктурных материалов
1.2. Моделирование заряжения диэлектрика под действием электронного пучка
1.2.1. Физические модели процессов заряжения
1.2.2. Результаты моделирования инжектированного заряда и напряженности
электрического поля для
Выводы и постановка задач исследований
Глава 2. РАЗВИТИЕ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА
ПРОЦЕССОВ ЗАРЯЖЕНИЯ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И
НАНОСТРУКТУРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
2.1. Особенности процессов переноса заряда в наноструктурных диэлектриках
2.2. Математическая модель и алгоритм расчета заряжения наноструктурных диэлектриков
при электронной бомбардировке
2.3. Математическая модель и алгоритм расчета кинетики затухания люминесценции при
импульсном возбуждении диэлектриков
2.3.1 Внутрицентровая люминесценция
2.3.2 Рекомбинационная фотолюминесценция
2.4. Оценка воспроизводимости расчетов параметров заряжения и люминесценции
широкозонных оксидов
Выводы
Глава 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ
И ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ НАНОСТРУКТУРНЫХ ОКСИДОВ КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ
3.1 Объекты исследования и параметры моделирования
3.2 Апробация развитой физической модели
3.2.1 Вычисление максимальной глубины проникновения заряда. Сравнение с
экспериментом
3.2.2 Расчет объемной плотности заряда и напряженности электрического поля в
кристаллическом 8102 при электронной бомбардировке
3.3 Моделирование динамики возникновения токов в наноструктурном а-АЬОз
3.4 Моделирование заряжения наноструктурных оксидов алюминия и кремния
3.5 Влияние размера наночастиц и потенциального барьера на их границах на заряжение
поверхности наноструктурного БЮг при бомбардировке электронами средних энергий
3.5.1 Влияние размера наночастиц на заряжение поверхности диоксида кремния
3.5.2 Заряжение поверхности диоксида кремния при изменении потенциального барьера на границе наночастиц

Выводы
Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТОДО- И ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
НАНОСТРУКТУРНЫХ ОКСИДОВ КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ. СРАВНЕНИЕ С
ЭКСПЕРИМЕНТОМ
4.1 Образцы и экспериментальные методики
4.2 Расчет кинетики затухания внутрицентровой люминесценции в монокристаллических и
наноструктурных образцах оксидов кремния и алюминия при импульсном возбуждении пучком электронов. Сравнение с экспериментом
4.2.1 Диоксид кремния
4.2.2 Анионо-дефектный оксид алюминия
4.3 Расчет кинетики затухания рекомбинационной фотолюминесценции в монокристаллическом и наноструктурном анионо-дефектном оксиде алюминия. Сравнение с экспериментом
4.4 Расчет кинетики затухания рекомбинационной люминесценции в наноструктурном анионо-дефектном оксиде алюминия, возбужденном электронным импульсом
4.5 Идентификация полос свечения в экспериментальных спектрах (фотолюминесценции
оксида алюминия
Выводы
Основные результаты и выводы диссертационной работы
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Изучение закономерностей и механизмов люминесценции при воздействии ионизирующего излучения на кристаллические и наноструктурные материалы, включая оксиды, является актуальной задачей физики конденсированного состояния. Уникальные люминесцентные свойства широкозонных оксидов обуславливают их применение в индикаторных и светоизлучающих устройствах, оптоэлектронике, твердотельной дозиметрии, радиационной физике. В то же время влияние заряжения поверхности и приповерхностных слоев на свойства люминофоров при облучении потоками электронов практически не изучено, хотя является значимым фактором. Заряжение диэлектриков влияет на их физические свойства, в частности, вызывает смещение энергетических уровней центров захвата и искажения зонной структуры, что может изменять параметры люминесценции. Кроме того известно, что встроенный при облучении электрический заряд существенно влияет на вольт-амперные характеристики МДП структур в электронике.
Особый интерес для исследований представляют широко применяемые в науке и технике диоксид кремния и аниопо-дефсктный оксид алюминия, в том числе в наноструктурном состоянии. Как известно, при уменьшении размеров частиц материалов до наномасштабов их макроскопические свойства могут значительно изменяться. При исследовании люминесценции в наноструктурных диэлектриках необходимо учитывать особенности нанокристаллического состояния твердого тела, влияющие на процессы возбуждения, спектральный состав и длительность послесвечения.
Ожидается, что на основе наноразмерных широкозонных оксидов кремния и алюминия можно изготовить материалы с высоким квантовым выходом люминесценции в широком спектральном диапазоне, с повышенной радиационной стойкостью и увеличенным ресурсом работы.
Изучение свойств наноразмерных диэлектриков с целью создания новых функциональных материалов непрерывно расширяется. Отметим также, что изготовление и аттестация наноструктурных образцов является непростой задачей. требующей использования дорогостоящего оборудования. В этой связи компьютерное моделирование спектральнокинетических свойств катодо- и фотолюминесценции наноструктурных материалов позволит значительно сократить время и затраты на поиск и создание новых люминофоров.
Использование методов импульсной катодолюминесценции и фотолюминесценции в ВУФ диапазоне, регистрация люминесценции со спектральным разрешением и компьютерное моделирование позволят комплексно исследовать закономерности возбуждения люминесценции и вторичных процессов, возникающих при облучении образцов. Кроме того, импульсное

волны де Бройля, длиной пути диффузии. При увеличении доли поверхностных эффектов также можно наблюдать изменение свойств материалов. Размерные эффекты могут быть описаны в классическом и квантовом приближениях. Обнаружено, что при уменьшении линейных размеров наночастиц до величины, при которой еще не проявляются квантовые эффекты, практически все физические свойства веществ изменяются вследствие классического размерного эффекта.
Возникновение квантовых размерных эффектов наблюдается, когда геометрические параметры наночастиц становятся сравнимы с длиной волны де Бройля X электронов [23]:
где И - постоянная Планка, т - масса электрона, V - скорость электрона.
Во многих исследованиях квантовый размерный эффект наблюдался в изменении свойств материалов с величиной структурных составляющих в нанодиапазоне.
Для БЮг длина свободного пробега электронов составляет (0.1-4) нм, а длина волны де Бройля - (0,05-2) нм, т.е. квантовые эффекты в наибольшей степени будут проявляться при размере наночастиц меньше 5 нм [23].
Из основных характеристик, на которые влияет размер частиц, можно выделить следующие:
Длина свободного пробега и эффективная масса электрона. Под длиной свободного пробега понимают расстояние, которое проходит электрон между двумя последовательными актами рассеяния. Ее величина обусловлена взаимодействием электронов, движущихся под действием электрического поля, с границами наночастиц, [23]. При взаимодействии электроны изменяют свою энергию и направление движения, и, следовательно, длина их свободного пробега будет ограничена размером нанокристаллов. Таким образом, уменьшение длины свободного пробега электронов в наноструктурах обусловлено ограничением их распространения в одном или нескольких измерениях [62].
Расстояние, пройденное электроном между взаимодействиями, можно вычислить по формуле [11]:
где Д/ - интервал времени между взаимодействиями, т * - эффективная масса электрона. Уменьшение длины свободного пробега может привести к изменению эффективной массы электрона в наноструктурах [11]:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
где I) - размер наночастиц в нм; Э - константа, равная 1 нм.